U EKSKLUZIVNOM serijalu u četiri nastavka jedan od najuglednijih hrvatskih fizičara, Goran Senjanović, za čitatelje Indexa ispričat će svoju osobnu i znanstvenu priču o nastanku Standardnog modela – temeljne teorije moderne fizike čestica. Kao ključni sudionik u razvoju velikih ideja o njemu, Senjanović je ostavio dubok trag u svjetskoj znanosti. Nedavno je predložen za prestižnu chair poziciju na Sveučilištu u Splitu. Ovo je prvi dio njegove priče iz prve ruke – o fizici, idejama i borbi za znanstvenu istinu.

1. Svijet elementarnih čestica i smrt lijevo-desno simetrije

Standardni model (SM) je ružno i neprikladno ime za temeljnu, središnju teoriju svih relevantnih sila u prirodi među elementarnim česticama - zvuči kao da je netko modelirao prirodu, a stvoren je originalnim teorijskim apstrakcijama i u svakom je trenutku bio ispred eksperimenta.

Na ovih nekoliko stranica želim opisati kako je nastala ova izvanredna teorija za sva vremena i ispričati priču o glavnim herojima iza nje. Većinu sam ih poznavao osobno, a s nekima sam bio blizak - način na koji su pristupali svojem zanatu oblikovao je moje razumijevanje svijeta i utro put mojem istraživanju. To je priča o ljudskoj drami, geniju, ali i o sreći i propuštenim prilikama.

Rani dani i čekanje na potvrde

Pojavio sam se na sceni u vrijeme kada je Standardni model već bio konstruiran, ali još nije bio potvrđen - bilo je to vrijeme ogromnog uzbuđenja i entuzijazma, vrijeme jednog eksperimentalnog otkrića za drugim. Većina ih se dogodila u desetljeću od 1973. do 1983. godine, ali možda najveće eksperimentalno otkriće, tzv. Higgsova bozona - čestice koja je u srži Standardnog modela - trebalo je čekati do 2012., na Veliki hadronski sudarač (LHC) na CERN-u u Ženevi. Imao sam sreće i bio sam privilegiran započeti istraživanje u to plodno vrijeme koje mi je omogućilo da se bavim fizikom kakvu nisam mogao ni sanjati.

Znanost i osjećaji

Kad sam o znanosti učio u školi i na sveučilištu, uvijek je bila prikazana kao nešto objektivno, hladno, precizno, logično. Naravno, s vremenom, kada se bujne spekulativne ideje eksperimentalno potvrde i postanu činjenice prirode, možemo govoriti o objektivnoj stvarnosti. Ali sam proces potrage za novim teorijama vrlo je emotivan i instinktivan, rekao bih jednako kao i književnost, film, glazba, slikarstvo.

Kao što je Einstein naglašavao, njemu je sve dolazilo iz stomaka - um je bio tu samo da slijedi unutarnje porive i osjećaje, samo da organizira izvorni kaos stvaranja. Primijetite da nije rekao srce, već stomak, izravno iz utrobe. Ja sam ljubitelj logike i sigurno nisam dubok u razmišljanju kao Einstein, ali sam otkrio da i moj najbolji rad dolazi iz zaljubljivanja u temu, ili još bolje, iz emocionalne, pa čak i fizičke, potrebe da slijedim određeni put. U tome postoji opasnost, jer možda nećemo nigdje stići slijedeći vlastite instinkte, kao i u drugim aspektima života. Ali, ako se slijedi srce, ili stomak kao Einstein, nagrada, ako ste u pravu, može učiniti svu borbu vrijednom - i još važnije, postoji radost u samom slijeđenju vlastitog puta.

Svijet elementarnih čestica

Prije nego što nastavim, moram predstaviti svijet elementarnih čestica. Znate da je svijet napravljen od atoma, ali oni nisu elementarni: postoji sićušna jezgra u središtu i elektroni koji kruže oko nje. Elektroni su elementarni - ili barem se tako čini danas, sutra bi to moglo biti dovedeno u pitanje - ali jezgra nije. Napravljena je od pozitivno nabijenih protona (u jedinicama u kojima je elektron negativno nabijen) i neutralnih neutrona. Protoni i neutroni daju nam masu - oni su oko 1000 puta teži od elektrona - ali ni oni nisu elementarni: napravljeni su od gornjih (up) i donjih (down) kvarkova (proton od 2 gornja i 1 donjeg, a neutron od 2 donja i 1 gornjeg kvarka). Lako je provjeriti da gornji kvark ima naboj 2/3, a donji -1/3, gdje proton ima naboj 1. Ukratko, svugdje oko nas bez obzira koliko daleko gledali, čak i do ruba svemira, sve je napravljeno od gornjih i donjih kvarkova i elektrona.

Čestice u standardnom modelu

Temeljne sile prirode

Dok je većinu vremena za napredak znanosti potreban spor i predan napor mnogih znanstvenika, postoje trenuci koji potresaju temelje dugo održavanih uvjerenja i zauvijek mijenjaju razumijevanje. Kada je riječ o Standardnom modelu, bilo je to ljeto 1956. Dva mlada kineska fizičara Tsung Dao Lee i Chen Ning Yang "bacili su bombu" i doveli u pitanje stoljetnu dogmu da temeljne interakcije u prirodi moraju biti simetrične pod transformacijom s lijeva na desno.

Prije nego što se upustim u to, trebam kazati – ako već niste znali – da postoje četiri temeljne sile u prirodi: gravitacijska, elektromagnetska, slaba i jaka. Nema potrebe govoriti o prvim dvjema, one opisuju svakodnevne pojave koje upravljaju našim životima.

Slaba sila je odgovorna za raspad elementarnih čestica te upravlja, između ostalog, termonuklearnim procesima u Suncu koji podržavaju život. Jedan od takvih raspada, nazvan beta raspad (ime je povijesno i nije važno), kada se neutron raspada u proton i elektron, dovodi do proizvodnje neutrina, neuhvatljivih čestica koje ignoriraju vas i mene i gotovo sve ostalo. Dok ovo čitate, desetke milijardi neutrina sa Sunca poslanih prije otprilike 8 minuta prolaze kroz vas svake sekunde, a da ne uzrokuju nikakvu štetu. To je zapanjujuće, jer da su to recimo elektroni, ubili bi nas u trenu. Neutrini, za razliku od elektrona koji nose naboj i imaju elektromagnetske interakcije, osjećaju samo slabu silu.

Pored slabe i elektromagnetske sile, da bismo vi i ja – i sve ostalo – postojali, mora postojati jaka sila koja kvarkove drži zajedno.

Čestice - nositelji sila

Ljepota moderne teorije sila među česticama - Standardnog modela - jest u tome što se sile prenose posrednicima ili glasnicima: fotonima za elektromagnetsku silu, W i Z bozonima za slabu silu i gluonima za jaku silu (oni lijepe kvarkove, otud i ime: glue znači lijepiti na engleskom). Gravitacijska sila trebala bi imati posrednika zvanog graviton, ali to tek treba dokazati. Međutim, ovdje ne moram govoriti o gravitaciji, ona je jednostavno preslaba da bi je elementarne čestice osjetile. Jedini razlog zašto nas, recimo, Sunce privlači gravitacijski jest nevjerojatno velik broj protona i neutrona unutar njega, broj s gotovo 60 nula! Svaki od njih nas jedva privlači, ali zajedno čine čuda - lijep primjer kolektivne suradnje.

Ako mi još povjerujete da se fotoni ponašaju kao da nemaju masu i putuju brzinom svjetlosti, a W i Z bozoni imaju masu od oko 100 masa protona, sada znate sve što trebate znati o svijetu elementarnih čestica – barem za potrebe ove priče, kojoj se sada vraćam.

Rušenje paradigme o simetriji

Dakle, u lipnju 1956. Lee i Yang, tada nerazdvojni suradnici koji će se kasnije tragikomično posvađati oko toga tko je od njih prvi došao na tu ideju, skupili su hrabrosti reći da slaba interakcija, za razliku od svih ostalih, zapravo možda nije simetrična s lijeva na desno. To je jedan od onih trenutaka epifanije kada se prekine tabu, a pravo pitanje mijenja sve.

Trebalo je malo vremena da se pokaže da su u pravu - do Božića iste godine Chien-Shiung Wu (slika gore), ili Madame Wu kako ju je svijet fizike zvao kako bi naglasio činjenicu da je bila jedna od rijetkih žena u području nuklearne fizike, pokazala je sa svojom grupom da je lijevo-desno doista narušeno, i to maksimalno. Kvarkovi i elektroni postoje kao lijevi i desni, a ona je pokazala da elektroni u beta-raspadu izlaze samo kao lijevi - uz to, desni neutrino nikad nije nađen (slika dolje), možda najbolja ilustracija da je narušenje maksimalno. Stoljetna paradigma simetrije lijevo-desno se srušila, a deset mjeseci kasnije Lee i Yang dobit će Nobelovu nagradu u godinama kada većina nas tek započinje svoje karijere. Zašto je Wu izostavljena, još mi je misterij.